劉東洋, 徐捷, 孫寧, 汪大洋, 熊峰
(1. 南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司,江蘇 南京 211106;2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司信息通信分公司,江蘇 南京 210024)
高壓直流(high voltage direct current,HVDC)換相失敗會(huì)引起直流功率跌落,連續(xù)的換相失敗存在引起直流閉鎖的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)交流系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的功率沖擊[1—5]。根據(jù)Q/GDW 1404—2015《國(guó)家電網(wǎng)安全穩(wěn)定計(jì)算技術(shù)規(guī)范》,特高壓直流相繼發(fā)生多次因換相失敗引起功率波動(dòng),若即將導(dǎo)致系統(tǒng)安全穩(wěn)定破壞,可以采取針對(duì)性的穩(wěn)定控制措施。因此,必須對(duì)直流輸電系統(tǒng)的換相失敗狀態(tài)作出及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別,并采取相應(yīng)的控制措施。
穩(wěn)定控制關(guān)心的是HVDC換相失敗后帶來的功率沖擊,因此,穩(wěn)定控制中把換相失敗后帶來的一次功率沖擊算作一次換相失敗,這與直流控保系統(tǒng)中的換相失敗保護(hù)有所區(qū)別。目前,已有實(shí)際工程應(yīng)用的直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)根據(jù)直流控保裝置發(fā)送的HVDC換相失敗信號(hào),結(jié)合換流變電氣量變化狀態(tài)判斷本站HVDC換相失敗[6—8]。然而,當(dāng)直流控保系統(tǒng)死機(jī)或者與穩(wěn)控裝置通信中斷時(shí),直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)將無法采取針對(duì)性的穩(wěn)控措施。近年來,國(guó)內(nèi)外直流穩(wěn)控系統(tǒng)多次出現(xiàn)由于直流控保系統(tǒng)的缺陷而導(dǎo)致穩(wěn)控系統(tǒng)拒動(dòng)的情況。同時(shí),根據(jù)Q/GDW 1404—2015《電網(wǎng)安全穩(wěn)定自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)范》中的要求,為保證可信賴性,穩(wěn)控裝置應(yīng)采用獨(dú)立性強(qiáng)的設(shè)計(jì)方案,盡量減少安全穩(wěn)定自動(dòng)裝置與保護(hù)裝置間的依賴。因此,研究基于不依賴直流控保信號(hào)的HVDC換相失敗穩(wěn)控判據(jù)仍有工程現(xiàn)實(shí)意義,也是提高穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性的重要途徑。文獻(xiàn)[9—15]詳細(xì)研究了換向失敗的微觀機(jī)理和判斷標(biāo)準(zhǔn);文獻(xiàn)[16—18]介紹了特高壓直流配套安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)方案、故障判據(jù)以及與直流控保裝置的通信方式;文獻(xiàn)[19—21]介紹了應(yīng)對(duì)多直流同時(shí)換相失敗的安全穩(wěn)定控制措施和緊急控制措施,但是未對(duì)HVDC換相失敗故障的穩(wěn)控識(shí)別判據(jù)進(jìn)行具體研究。
文中介紹了基于直流控保信號(hào)的傳統(tǒng)穩(wěn)控裝置所用換相失敗識(shí)別判據(jù)及其存在的問題,研究了HVDC換相失敗工況下的故障電流特征,利用穩(wěn)控工程上可以直接采集到的換流變網(wǎng)側(cè)電壓電流、閥側(cè)電流以及閥組的直流電流,從穩(wěn)定控制的需求角度出發(fā),在換相失敗保護(hù)基本原理的基礎(chǔ)上提出了適用于穩(wěn)定控制的換相失敗、連續(xù)換相失敗、多直流同時(shí)換相失敗實(shí)用判據(jù),并通過了基于實(shí)際控保系統(tǒng)的賓金直流實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)(real time digital system,RTDS)硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證。
換相失敗是直流輸電系統(tǒng)發(fā)生概率較高的異常運(yùn)行狀態(tài)之一。正常換相時(shí),各晶閘管順序?qū)?,依次相?0°,每個(gè)晶閘管導(dǎo)通120°,每個(gè)時(shí)刻上下橋臂各有一個(gè)晶閘管同時(shí)導(dǎo)通。閥組出口處的直流電流為閥側(cè)交流電流的包絡(luò)線。在換相失敗時(shí),該關(guān)斷的閥組繼續(xù)導(dǎo)通,本該導(dǎo)通的閥組未能順利導(dǎo)通,按照原有的觸發(fā)順序會(huì)造成同一橋臂的2個(gè)閥同時(shí)導(dǎo)通,造成短時(shí)的直流側(cè)短路和交流側(cè)開路的形態(tài),此時(shí)直流電流增大,閥側(cè)交流電流減小。圖1和圖2分別為交流系統(tǒng)單相故障、換流閥觸發(fā)脈沖丟失引發(fā)HVDC換相失敗時(shí)的電流特征仿真波形??梢钥闯?,HVDC換相失敗時(shí)較為明顯的故障特征是直流電流大于閥側(cè)交流電流絕對(duì)值的最大值。
圖1 交流系統(tǒng)單相故障引發(fā)換相失敗時(shí)仿真波形Fig.1 Simulation waveform of commutation failures caused by AC system fault
圖2 觸發(fā)脈沖丟失引發(fā)換相失敗時(shí)電流波形Fig.2 Simulation waveform of commutation failures caused by lossing pulse
目前直流控保系統(tǒng)所用換相失敗判據(jù)采用的2種技術(shù)方案都是依據(jù)上述故障特征而設(shè)立,需要采集的電氣量包括換流變閥側(cè)Y、D繞組三相電流和換流閥高/低端出口電流,其中極Ⅰ測(cè)量點(diǎn)如圖3所示。
圖3 極I HVDC換相失敗判據(jù)測(cè)點(diǎn)示意Fig.3 Schematic diagram of the measurement point of the pole I DC commutation failure criterion
方案一的換相失敗保護(hù)對(duì)換流變壓器Y繞組和D繞組分別進(jìn)行判斷,利用直流電流大于閥側(cè)三相交流電流絕對(duì)值的最大值構(gòu)成判據(jù)。其Y橋和D橋的換相失敗判據(jù)如式(1)和式(2)所示[22—23]。
(1)
(2)
其中:
IDmax=max(IDCP,IDCN)
(3)
式中:IDCP,IDCN分別為極Ⅰ高端閥組高壓側(cè)與低壓側(cè)出口直流電流;IVD,IVY分別為Y、D橋三相交流電流幅值的最大值;I0為比率差動(dòng)的最小動(dòng)作電流,一般取0.133 p.u.;k1,k2為比例系數(shù),一般k1取0.1,k2取0.65。
方案二通過Y橋差動(dòng)、D橋差動(dòng)和閥組差動(dòng)共同實(shí)現(xiàn)逆變器換相失敗的判別。其Y橋、D橋和閥組的動(dòng)作判據(jù)如式(4)—式(6)所示。
max(IVY,IVD)-IVY>ISET
(4)
max(IVY,IVD)-IVD>ISET
(5)
max(IDCP,IDNP)-max(IVY,IVD)>ISET
(6)
式中:ISET為動(dòng)作門檻值,一般取0.1 p.u.。
無論是方案一還是方案二,一旦滿足其換相失敗判據(jù)條件中某一橋判斷條件時(shí),說明該橋發(fā)生了換相失敗。而當(dāng)一個(gè)閥組的單橋發(fā)生換相失敗時(shí)(另一橋未發(fā)生換相失敗),一般是由直流內(nèi)部故障引起的,需要盡快閉鎖換流器;當(dāng)2個(gè)或多個(gè)六脈動(dòng)橋相繼發(fā)生換相失敗時(shí),一般是由交流系統(tǒng)故障引起的,保護(hù)邏輯和延時(shí)主要考慮交流系統(tǒng)最長(zhǎng)故障清除時(shí)間以及直流自身設(shè)備的耐受能力。
實(shí)際工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,當(dāng)直流控保系統(tǒng)死機(jī)或者與穩(wěn)控裝置通道異常時(shí),穩(wěn)控裝置將無法動(dòng)作。雖然以上判據(jù)能夠準(zhǔn)確判斷換相失敗的發(fā)生,但是其動(dòng)作邏輯并未考慮交流系統(tǒng)對(duì)連續(xù)換相失敗的承受能力,也不能給出電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制領(lǐng)域所關(guān)心的連續(xù)換相失敗持續(xù)時(shí)間、時(shí)間間隔以及功率跌落次數(shù)等重要信息。而穩(wěn)定控制所用故障識(shí)別判據(jù)還需要結(jié)合交流系統(tǒng)的承受能力以及換相失敗次數(shù)等信息進(jìn)一步完善,以保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
為了避免直流配套穩(wěn)控裝置判別換相失敗故障時(shí)對(duì)直流控保系統(tǒng)的依賴,穩(wěn)定控制所用的換相失敗判據(jù)必須基于電氣量,在上述換相失敗保護(hù)原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合交流系統(tǒng)的承受能力實(shí)現(xiàn)對(duì)HVDC換相失敗以及連續(xù)換相失敗的正確識(shí)別。穩(wěn)控裝置需要對(duì)極Ⅰ和極Ⅱ的高低端共4個(gè)閥組分別進(jìn)行換相失敗判斷,可直接采集的信息包括每個(gè)閥組所用電氣量和換流變網(wǎng)側(cè)三相電壓電流。
穩(wěn)控裝置正常運(yùn)行時(shí)需要自動(dòng)判斷換流器的運(yùn)行狀態(tài),以確定系統(tǒng)的運(yùn)行方式,可通過判斷換流變網(wǎng)側(cè)是否有電流和功率來自動(dòng)識(shí)別換流器的投停狀態(tài)。同時(shí)為了防止檢修期間誤判,可設(shè)置相應(yīng)檢修壓板來閉鎖,具體識(shí)別方法如下。
如果某極換流變檢修壓板投入,則確定換流變?cè)_\(yùn);如果某極換流變檢修壓板退出,則滿足以下任一條件時(shí)確定換流變?cè)哆\(yùn),否則確定換流變?cè)_\(yùn):
(1) 至少有兩相電流有效值大于等于投運(yùn)電流定值,且持續(xù)100 ms;
(2) 有功功率大于等于投運(yùn)功率定值,且持續(xù)100 ms。
確定換流變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài),就可以進(jìn)行換相失敗判斷。啟動(dòng)判據(jù)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足:在HVDC輸電系統(tǒng)各種故障情況下能可靠地啟動(dòng)錄波并進(jìn)入故障判斷狀態(tài),而在正常運(yùn)行時(shí)又不會(huì)頻繁啟動(dòng)。對(duì)于穩(wěn)定控制而言,若HVDC換相失敗后功率損失較小則無需采取控制措施,此時(shí)穩(wěn)控裝置不需要識(shí)別本次換相失??;若換相失敗給交流系統(tǒng)帶來的功率損失較大,則在換流變網(wǎng)側(cè)會(huì)出現(xiàn)電流和功率突變。因此,換相失敗的啟動(dòng)判據(jù)可設(shè)計(jì)為:
(1) 換流變網(wǎng)側(cè)任意一相電流滿足|it-it-T20|≥ΔISET,且持續(xù)5 ms,則滿足電流突變量啟動(dòng)條件。其中,it為當(dāng)前電流瞬時(shí)值;it-T20為一個(gè)工頻周期前電流瞬時(shí)值;ΔISET為電流突變量門檻值。
(2) 換流變當(dāng)前功率滿足|Pt-Pt-T20|≥ΔPSET,且持續(xù)5 ms,則滿足功率突變量啟動(dòng)。其中,Pt為當(dāng)前有功功率;Pt-T20為一個(gè)工頻周期前的有功功率;ΔPSET為功率突變量門檻值。
以上啟動(dòng)判據(jù)為“或”邏輯關(guān)系,滿足其中任一判據(jù)都可使裝置進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài),啟動(dòng)周期為5 s。
當(dāng)裝置采集的電氣量滿足投運(yùn)和啟動(dòng)條件后,進(jìn)入換相失敗故障判斷邏輯,首先對(duì)閥組的換相失敗進(jìn)行判斷,如圖4所示。當(dāng)Y橋和D橋的動(dòng)作方程至少有一個(gè)滿足,且閥組事故前200 ms功率大于定值時(shí),則判定該閥組發(fā)生換相失敗,然后進(jìn)入連續(xù)換相失敗判斷邏輯。
圖4 閥組換相失敗、連續(xù)換相失敗判據(jù)框圖Fig.4 Block diagram of commutation failures and continuous commutation failures criteria for valve terminal
穩(wěn)定控制關(guān)心的是HVDC換相失敗后帶來的功率沖擊,若換相失敗之后交流電網(wǎng)的擾動(dòng)源消失,則直流又能快速恢復(fù)正常換相,直流功率能在200 ms左右恢復(fù)90%;而如果交流電網(wǎng)發(fā)生的是單相永久短路故障,由于重合閘,逆變站交流母線將在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生2次電壓跌落,導(dǎo)致直流系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定控制所述的“連續(xù)換相失敗”。根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,換相失敗結(jié)束后直流恢復(fù)到事前90%的功率需要120~300 ms[24],因此,可設(shè)定時(shí)間周期T(不超過300 ms),在T時(shí)間內(nèi)只記作一次換相失敗,相應(yīng)連續(xù)換相失敗計(jì)次原理為:假設(shè)0 時(shí)刻檢測(cè)到換流閥換相失敗,計(jì)數(shù)器計(jì)1;計(jì)數(shù)器記1 后T—2T期間,若檢測(cè)到換相失敗,計(jì)數(shù)器計(jì)2;計(jì)數(shù)器記2 后2T—3T期間,若檢測(cè)到換相失敗,計(jì)數(shù)器計(jì)3;以此類推。如果計(jì)數(shù)器的次數(shù)大于設(shè)定的允許換相失敗次數(shù)門檻值,則穩(wěn)控裝置判斷該閥組連續(xù)換相失敗次數(shù)已達(dá)臨界值。
計(jì)及一條直流的多個(gè)閥組之間的互相轉(zhuǎn)帶功能,在判斷出某閥組換相失敗后,穩(wěn)控裝置需判斷該直流雙極高低端共4個(gè)閥組中處于運(yùn)行狀態(tài)的是否均發(fā)生了換相失敗,只有所有運(yùn)行的閥組同時(shí)發(fā)生換相失敗才是穩(wěn)定控制所需要考慮的HVDC換相失敗。同時(shí),穩(wěn)控裝置還需要判斷該直流事故前功率滿足穩(wěn)定控制的動(dòng)作條件,滿足動(dòng)作條件則判定為該HVDC換相失敗,并動(dòng)作出口(查策略表采取相應(yīng)的穩(wěn)控措施)。
對(duì)于交流電網(wǎng)的穩(wěn)定性而言,顯然多個(gè)直流同時(shí)換相失敗對(duì)其影響更大,而多直流落點(diǎn)的受端電網(wǎng)發(fā)生交流短路故障時(shí)往往會(huì)造成數(shù)條直流同時(shí)換相失敗,此時(shí)執(zhí)行策略要按照多直流同時(shí)換相失敗來考慮,因此需要對(duì)多直流同時(shí)換相失敗作出正確的判斷。受直流控制系統(tǒng)參數(shù)、通信延時(shí)等影響,雖然各條直流的換相失敗并不是嚴(yán)格的“同步”,但考慮到HVDC換相失敗后的功率恢復(fù)需要120~300 ms,因此,若多個(gè)直流相繼換相失敗,但間隔較短時(shí),也應(yīng)當(dāng)視作同時(shí)換相失敗。多直流同時(shí)換相失敗判據(jù)如圖5所示,其中Thold為展寬時(shí)間,在判出第一條HVDC換相失敗后,在之后Thold內(nèi)判出其他HVDC換相失敗,則認(rèn)為多直流同時(shí)換相失敗。
圖5 多直流同時(shí)換相失敗判斷邏輯Fig.5 The judgment logic of multi-HVDC communication failure at the same time
為了驗(yàn)證換相失敗識(shí)別判據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性,將文中所提的HVDC換相失敗判據(jù)在穩(wěn)控裝置中進(jìn)行相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì),并針對(duì)性地在四川電科院開展了基于實(shí)際控保系統(tǒng)的賓金直流RTDS硬件在環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證(報(bào)告編號(hào)SEPR105-09-03-DM0001-2019)。
在RTDS平臺(tái)搭建的仿真試驗(yàn)?zāi)P桶ń涣鞯戎迪到y(tǒng)、換流變壓器、雙12脈動(dòng)閥組、交流濾波器、直流濾波器、平波電抗器、阻波器、中性母線電容器、直流線路、接地極等元件。試驗(yàn)中使用與實(shí)際工程一致的特高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備,被測(cè)穩(wěn)控裝置接入逆變側(cè)的換流變網(wǎng)側(cè)電壓電流、閥側(cè)電流以及閥組的直流電流。RTDS仿真系統(tǒng)通過GTAO 接口卡經(jīng)功率放大器向被測(cè)穩(wěn)控裝置提供上述電氣量信號(hào),穩(wěn)控裝置進(jìn)行采樣計(jì)算和邏輯判斷之后通過GTDI板卡向RTDS反饋開關(guān)量信號(hào),從而構(gòu)成閉環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。試驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)如圖6所示。
圖6 RTDS試驗(yàn)平臺(tái)架構(gòu)Fig.6 Architecture of RTDS test platform
試驗(yàn)?zāi)M的賓金特高壓直流輸電系統(tǒng)電壓等級(jí)±800 kV,額定傳輸容量8 000 MW。在特高壓直流定功率、定電流運(yùn)行方式下,模擬各種故障類型,包含逆變側(cè)近區(qū)交流側(cè)故障、逆變側(cè)遠(yuǎn)端交流故障、逆變側(cè)直流內(nèi)部故障、直流線路故障、觸發(fā)脈沖錯(cuò)誤、整流側(cè)直流內(nèi)部故障、整流側(cè)近區(qū)交流故障、整流側(cè)遠(yuǎn)端交流故障及勵(lì)磁空充。上述9項(xiàng)試驗(yàn)共計(jì)65次,在直流控保系統(tǒng)換相失敗保護(hù)動(dòng)作的同時(shí),被測(cè)穩(wěn)控判據(jù)不僅能正確識(shí)別直流系統(tǒng)的換相失敗發(fā)生,還能根據(jù)定值判斷連續(xù)換相失敗的次數(shù)和持續(xù)時(shí)間。RTDS試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
表1 RTDS試驗(yàn)項(xiàng)目及試驗(yàn)結(jié)果Table 1 RTDS test items and test results
在所提判據(jù)能夠正確判別HVDC換相失敗的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步針對(duì)逆變側(cè)交流相繼故障和連續(xù)脈沖丟失故障進(jìn)行連續(xù)換相失敗計(jì)次邏輯的驗(yàn)證。RTDS試驗(yàn)結(jié)果證明,所提的判據(jù)在直流發(fā)生換相時(shí)能夠準(zhǔn)確動(dòng)作,并且能夠根據(jù)安全穩(wěn)定控制的需求判斷連續(xù)換相失敗發(fā)生的次數(shù)和時(shí)間間隔。
圖7為模擬交流系統(tǒng)連續(xù)3次單相接地故障的錄波圖,每次故障時(shí)間持續(xù)100 ms,間隔300 ms,引發(fā)直流連續(xù)發(fā)生3次換相失敗。裝置設(shè)定的允許換相失敗次數(shù)定值n設(shè)置為3,展寬計(jì)數(shù)時(shí)間T設(shè)置為200 ms。圖中,UA,UB,UC為換流變網(wǎng)側(cè)母線三相電壓;I_VY為極Ⅰ高端閥組Y橋三相交流電流絕對(duì)值的最大值;I_VD為極Ⅰ高端閥組D橋三相交流電流絕對(duì)值的最大值;I_Dmax為極Ⅰ高端閥組高壓側(cè)和低壓側(cè)直流電流中的最大值;CF為穩(wěn)控裝置給出的極Ⅰ高端閥組換相失敗信號(hào);CCF為穩(wěn)控裝置判出的高端閥組連續(xù)3(定值整定)次換相失敗出口信號(hào)。可見,無論Y橋還是D橋,閥側(cè)三相交流電流絕對(duì)值的最大值都小于直流電流。
圖7 交流系統(tǒng)單相故障引發(fā)HVDC換相失敗試驗(yàn)波形Fig.7 Test waveforms of commutation failurescaused by AC system fault
圖8模擬極Ⅰ低端閥組Y橋第一個(gè)晶閘管的觸發(fā)脈沖連續(xù)丟失300 ms,引發(fā)直流極Ⅰ低端閥組連續(xù)換相失敗。裝置設(shè)定的允許換相失敗次數(shù)定值n為2,展寬計(jì)數(shù)時(shí)間T設(shè)置為200 ms。
圖8 觸發(fā)脈沖丟失故障引發(fā)HVDC換相失敗試驗(yàn)波形Fig.8 Test waveforms of commutation failurescaused by impulses losing
圖8中,I_VY為極Ⅰ低端閥組Y橋三相交流電流絕對(duì)值的最大值;I_VD為極Ⅰ低端閥組D橋三相交流電流絕對(duì)值的最大值;I_Dmax為極Ⅰ高端閥組高壓側(cè)和低壓側(cè)直流電流中的最大值;CF為穩(wěn)控裝置給出的低端閥組換相失敗出口信號(hào);CCF為穩(wěn)控裝置判出的低端閥組連續(xù)2次換相失敗出口信號(hào)。
換相失敗作為HVDC最常見的故障之一,有必要利用穩(wěn)控裝置對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,而穩(wěn)控裝置的動(dòng)作成敗不能僅僅依賴于直流控保系統(tǒng)。文中在直流控保系統(tǒng)原有換相失敗保護(hù)判據(jù)的基礎(chǔ)上,提出適用于穩(wěn)定控制的HVDC換相失敗、連續(xù)換相失敗及多直流同時(shí)換相失敗實(shí)用判據(jù)。RTDS試驗(yàn)表明:所提的判據(jù)在直流發(fā)生換相時(shí)能夠準(zhǔn)確動(dòng)作,并且能夠根據(jù)安全穩(wěn)定控制的需求判斷連續(xù)換相失敗發(fā)生的次數(shù)和時(shí)間間隔。
原有的換相失敗保護(hù)動(dòng)作邏輯沒有考慮交流系統(tǒng)對(duì)連續(xù)換相失敗的承受能力,也不能直接作為穩(wěn)定控制的HVDC換相失敗識(shí)別判據(jù)。當(dāng)HVDC發(fā)生換相失敗時(shí),穩(wěn)控裝置需要結(jié)合換相失敗持續(xù)時(shí)間、時(shí)間間隔以及功率跌落次數(shù)等信息,針對(duì)性地采取穩(wěn)定控制措施。